解開高能宇宙射線來源的百年之謎:超新星殘骸是答案

2021年10月25日11:22
當高能宇宙射線撞擊地球大氣層頂部時,就會發生高能粒子“陣雨”。宇宙射線是在1912年意外發現的
當高能宇宙射線撞擊地球大氣層頂部時,就會發生高能粒子“陣雨”。宇宙射線是在1912年意外發現的

  10月25日消息,據國外媒體報導,大約一個世紀前,科學家開始意識到,在地球大氣層中探測到的一些輻射並非來自太陽照射,而是來自宇宙空間。這最終催生了宇宙射線的發現。這些來自外太空的高能粒子(包括質子和原子核),在被剝離電子之後,加速到了相對論速度(接近光速)。然而,圍繞這一奇怪並可能帶來潛在危害的現象,至今仍有許多謎題尚未解開。

  這其中就包括宇宙射線的起源問題,以及宇宙射線的主要成分(質子)如何被加速到如此高的速度。在日本名古屋大學的一項新研究中,天文學家首次量化了超新星遺蹟中產生的宇宙射線的數量。這項研究幫助解決了一個持續百年的謎團,並且是實現精準確定宇宙射線來源的重要一步。

  儘管天文學家理論上認為宇宙射線有很多來源,包括太陽、超新星、伽馬射線暴和活動星系核(類星體)等,但自1912年首次發現以來,它們的確切起源一直是個謎。天文學家提出的另一個假說是,超新星殘骸(超新星爆發的餘波)是導致宇宙射線粒子加速到接近光速的原因。

宇宙射線質子相互作用和電子與光子相互作用分別產生伽馬射線的示意圖。宇宙射線質子與星際質子(如分子和氫原子)相互作用,產生了中性介子,然後迅速衰變為兩個伽馬射線光子(強子過程)。宇宙射線電子通過反康普頓散射(輕子過程)激發星際光子(主要是宇宙微波背景輻射),使其轉化為伽馬射線能量
宇宙射線質子相互作用和電子與光子相互作用分別產生伽馬射線的示意圖。宇宙射線質子與星際質子(如分子和氫原子)相互作用,產生了中性介子,然後迅速衰變為兩個伽馬射線光子(強子過程)。宇宙射線電子通過反康普頓散射(輕子過程)激發星際光子(主要是宇宙微波背景輻射),使其轉化為伽馬射線能量

  當宇宙射線穿過銀河系時,它們在星際介質的化學演變中扮演著重要角色。因此,瞭解宇宙射線的起源對於瞭解星系如何演化至關重要。近年來,隨著觀測技術的完善,一些科學家利用最新的觀測結果推測,超新星殘骸可以產生宇宙射線,因為它們加速的質子與星際介質中的質子相互作用,產生了甚高能(VHE)伽馬射線。

  然而,伽馬射線也可以由電子與星際介質中的光子相互作用而產生,這些光子可以是紅外光子或宇宙微波背景(CMB)的輻射形式。因此,確定這兩種來源中哪一種佔比更大,對於確定宇宙射線的來源至關重要。為了闡明這一點,來自名古屋大學、日本國立天文台(NAOJ)和澳州阿德萊德大學的研究人員對超新星遺蹟RX J1713.7 3946 (RX J1713)進行了觀測。

  這項研究的關鍵是研究人員開發的量化星際空間伽馬射線源的新方法。過去的觀測表明,在星際介質中,由質子與其他質子碰撞而產生的甚高能伽瑪射線的強度與星際氣體密度成正比,這一點可以通過無線電線成像來識別。另一方面,在星際介質中由電子與光子相互作用而產生的伽馬射線也被認為與來自電子的非熱X射線強度成正比。

  為了進行研究,研究團隊利用了高能立體視野望遠鏡系統(HESS)獲得的數據。HESS位於納米比亞,是一個甚高能伽瑪射線天文台(由馬克斯·普朗克核物理研究所運營)。然後,他們將這些數據與歐洲空間局X射線多鏡任務(XMM-牛頓衛星)獲得的X射線數據,以及星際介質中氣體分佈的有關數據結合起來。

  通過綜合分析這三個數據集,研究人員確定質子占宇宙射線的67±8%,而電子占33±8%——大約是7:3。這些發現具有開創性的意義,因為這是首次對宇宙射線的可能起源進行量化,也是迄今為止表明超新星殘骸是宇宙射線來源的最明確證據。

  這些結果還表明,由質子產生的伽瑪射線在富含氣體的星際區域更為常見,而由電子產生的伽瑪射線則在氣體貧乏的區域強度更高。這支援了許多研究人員的預測,即這兩種機制共同影響了星際介質的演變。

  該研究的主要作者、名譽教授Yasuo Fukui說:“如果沒有國際間的合作,這種全新的方法是不可能實現的。這將應用於更多的超新星遺蹟研究中。除了現有的觀測站,下一代伽馬射線望遠鏡CTA(切倫科夫望遠鏡陣列)的啟用也將大大推進宇宙射線起源的研究。”

  與此同時,來自日本國立天文台的共同作者Hidetoshi Sano博士領導了對歐洲空間局X射線多鏡任務檔案數據集的分析。從這個角度來說,這項研究顯示了國際合作和數據共享如何使各種前沿研究成為可能。隨著觀測儀器的改進,方法的優化,以及合作機會的增加,人類正進入一個天文學突破成為常態的新時代。(任天)

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